钛酸锶（SrTIO3)界面材料的第一性原理研究

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	钛酸锶（SrTIO3)界面材料的第一性原理研究
	赵可沦
学位类型	博士
导师	李斗星
	2010
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料物理与化学
关键词	钛酸锶界面表面第一性原理
摘要	"钙钛矿型氧化物是具有铁电、压电、介电、超导、巨磁阻、光电、非线性光学等丰富物理性能的功能材料，被广泛地应用于人类的社会生产、生活之中。钛酸锶(SrTiO3)系列材料是一种典型的钙钛矿型氧化物功能材料，这不仅因为SrTiO3材料自身具有丰富而独特的功能特性，如超导性、热电性、变阻特性、场效应特性、可调高介电常数特性等等；而且在缺陷工程领域，SrTiO3也是研究其他更为复杂的钙钛矿结构化合物点缺陷行为的模型材料。氧化物界面材料结构与性能的研究是材料科学与工程中一个重要的领域。近年来，SrTiO3界面材料的研究已引起世界各国学者广泛而浓厚的兴趣。本工作运用第一原理平面波赝势方法研究了SrTiO3界面材料的结构特征（化学键合、电子结构和性质）和相关性能，具体包括以下四个方面：通过置换能、偏析能和态密度的比较分析，研究了In掺杂SrTiO3/MgO(001)界面的电子结构和光学性质。结果表明，In原子更倾向于置换界面层Ti原子，从而实现In原子在SrTiO3/MgO(001)界面附近不断偏聚和局部富集。通过对In原子的位置优化，详细地讨论了In原子在SrTiO3/MgO(001)界面的掺杂效应。研究发现，界面体系光学性质不仅与In原子相对界面的位置有关，而且与In原子浓度密切相关。研究了十二种可能Au/SrTiO3(001)界面的原子构型、化学键特征以及电子结构。结果表明，Au/SrTiO3(001)界面的稳定性与界面层原子的排列方式密切相关；如果界面层出现O(Ti)空位缺陷或Au替位原子，同时上层Au原子逐个地排列在TiO2截止SrTiO3(001)表面层O原子上方，则其界面构型能量上最为稳定, 从而可能形成外延生长的界面膜。通过对不同缺陷界面模型电子性质的比较分析，发现在Au/SrTiO3(001)界面膜中，不同类型缺陷和Au原子的相互作用存在明显的差异。通过吸附能、置换能和态密度的比较分析，研究了N原子吸附SrTiO3(001)表面的原子构型、化学键特征和电学性质。结果表明，SrTiO3(001)表面吸附N原子的稳定性与N原子相对表面层的位置密切相关。通过相关能量和态密度的比较分析，发现N原子置换SrTiO3(001)表面层O原子的过程和SrTiO3(001)表面吸附Au原子的行为二者之间存在明显的“协同效应”，即N原子置换SrTiO3(001)表面层O原子的过程增强了相应表面吸附Au原子的稳定性，而SrTiO3(001)表面吸附Au原子的出现则进一步促进了N原子置换表面层O原子的过程。研究了Sr、Y、Zr、Nb和Mo等金属元素对Au/SrTiO3(001)/Au异质结界面结构和电子特性的影响。结果表明，金属原子在异质结界面的稳定性和界面电子态的变化趋势与金属原子相对界面层O(I)原子的位置密切相关。通过分析各通道原子的电荷密度差分以及投影态密度(PDOSs)，发现SrTiO3中原本关闭的导电通道由于界面金属元素Nb和Mo的电子掺杂效应转变为开放状态，从而提高了异质结界面的导电性能；然而其它金属元素(Sr、Y和Zr) 则基本没有影响。"
其他摘要	Perovskite-structure oxides are complex functional materials with a wide spectrum of attractive properties attributed to its complicated structure, such as ferroelectricity, piezoelectricity, dielectrics, superconductivity, colossal magnetic resistance, optoelectronics, nonlinear optics, and thus have received considerable attention as applications for the social productions and livings. Strontium titanate (SrTiO3) has arguably been the prototypical member of the Perovskite-type oxides, not only because it can be made to exhibit a diverse range of unusual properties itself, such as superconductivity, thermoelectricity, varistor actions, field-effect devices, and tunable-high dielectric permittivity; but also because in the field of point-defect engineering, it acts as a model material for other more complex perovskite oxides.
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64163
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	赵可沦. 钛酸锶（SrTIO3)界面材料的第一性原理研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2010.